CN1169275C - 高速机器用转子及其制造方法以及具有该转子的电动机 - Google Patents

Abstract

用于高速电动机的转子(10)在一形成转子轴的轴套(14)内部具有一稀土磁心(12)。磁心(12)被轴向地压缩在对置的端件(16，18)之间，所述端件分别与磁心的每一端直接或间接地啮合。端件藉助焊接、粘结或加热-收缩而固定于所述轴套。在磁心(12)上也可施加径向的压缩力。转子(10)的装配方法具有以下步骤：将磁心定位在一轴套内，将端件设置在轴套内以与磁心的轴向端直接或间接啮合，将磁心(12)轴向地压缩在端件(16，18)之间以给磁心预加应力，并在磁心(12)被预加应力时将轴套(14)固定于端件(16，18)上。

Description

高速机器用转子及其制造方法以及具有该转子的电动机

本发明的领域

本发明涉及对高速转子轴的改进，特别涉及用于高速电动机的转子轴。

本发明将结合它在气体、空气或冷冻剂压缩机用电动机中的应用情况来进行描述。但是，应予理解的是，本发明的原理也可以应用于其它形式的电动机用转子中以及在其它应用情况中使用的其它转子结构中。

本发明的背景

虽然高速无刷直流电动机是周知的，但是，由于这种电动机的功率输出较低，因此，它们的应用受到限制。在这方面，可以参阅由Say和Taylor(PitmanInternational)撰写的文章“直流机器”，尤其是4.8、5.10和11.4章节。在所描述的一种形式中，这种电动机包括一具有稀土磁铁的转子，诸如钕铁硼[NdFeB]稀土磁铁。这种材料和其它的稀土磁性材料通常具有较低的抗拉强度并且有些易碎，因此限制了它的使用。其它形式的电动机使用了铁氧体或其它磁性材料。由于这种电动机的高旋转速度会产生很大的离心力，因此，必需以一种能保证磁心不会裂开、扭曲、解体或变得不能使用的方式来构造所述转子。

因此，人们希望能提供一种用于诸如电动机之类的高速机器的转子，它具有一由诸如稀土磁铁材料之类的低拉伸材料制成的磁心。

人们还希望能提供以这样一种方式来构造的电动机用转子，即，它能提供在高旋转速度运转时具有所必需的机械性能的转子。

人们还希望能提供一种制造起来较为经济的转子。

人们还希望能提供一种用来构造一具有稀土磁心的转子的方法。

本发明的概述

本发明的目的在于提供一种用于诸如电动机之类的高速机器的转子，它具有一由诸如稀土磁铁材料之类的低拉伸材料制成的磁心，它能以这样一种方式来构造，即，它能提供在高旋转速度运转时具有所必需的机械性能的转子，且制造全力较为经济。

本发明的另一目的在于提供一种用来构造一具有稀土磁心的转子的方法。。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于诸如无刷直流电动机之类的高速机器的转子，所述转子具有：一稀土磁心；一由非磁性材料制成并环绕所述磁心以便在其高速旋转过程中将所述磁心径向地紧紧夹住的轴套，所述轴套朝着两轴向方向延伸超过所述磁心，固定在所述轴套的每一端部内并且分别与所述磁心的每一端直接或间接啮合的诸个端件，所述端件将一轴向压缩力施加于所述磁心上。

在一实施例中，所述转子是用在一无刷直流电动机中，其中所述磁心是沿径向被磁化的，所述磁心材料用的是钕铁硼[NdFeB]。在该实施例中，所述电动机被设计成其运转速度范围可在大约20,000rpm和50,000rpm之间。

本发明的转子还可以用在一些具有更高旋转速度的机器中。在目前一些正在研制的电动机中，建议采用250,000rpm和更高的设计速度。具有这种极高运转速度的电动机将具有极小的尺寸，但其功率输出足以使用于例如冷冻系统的离心式压缩机能进行工作。

在本发明的一些实施例中，转子的高旋转速度对转子提出了严格的机械要求，即，它必须构造得能经受住所产生的作用力。所述转子还必须具有足够的刚性，即，其共振弯曲频率要超过最大旋转频率。所述转子还必须尽可能轻，以最大程度地减小转子轴承上的载荷。

在本发明的一个实施例中，所述轴套将一径向压缩力施加于所述磁心上，这样，当所述磁心处于静止状态时，所述磁心既受到径向压缩力的作用也受到轴向压缩力的作用。在旋转时，所产生的离心力是由所述轴套内的压力来抵消的，这样，当以最大旋转速度旋转时，在所述磁心内如果有也只产生最小的张力。这样，由轴套和端件施加在磁心上的压缩力可以保证磁心材料不受损伤，在旋转过程中，所述压缩力也可以降低磁心内的径向张力。根据所采用的构造模式以及所需的转子结构，各端件可以直接或间接地与磁心的端部相啮合。

转子轴套最好由一种非磁性的高强度金属制成，诸如铬镍铁合金，它具有相对较高的杨氏模量，并且能为电动机轴提供必需的抗弯刚度。但是，也可以采用其它的高强度材料来形成转子轴套，诸如钛和钛合金。

轴向地压紧磁心的端件可以藉助将轴套加热-收缩至一由端件和磁心组成的组件上而保持在位。这种加热-收缩过程也可以为所述磁心提供所需的径向压缩力。但是，也可以采用其它形式来给所述轴套预加应力，以提供所需的轴向压缩力，诸如，在将抗张力施加于所述轴套或将压缩力施加于各端件时，通过机械连接或藉助将一个或两个端件焊接或粘结于所述轴套上。

本发明还提供了一种用来制造高速机器用转子的方法，所述转子包括一稀土磁心，所述方法包括以下步骤：形成一轴套，所述轴套的内径其尺寸要与置于轴套内部的磁心和端件发生干涉配合；将所述轴套加热至一低于其回火温度的温度，从而使所述轴套径向和轴向膨胀；将所述磁心和各端件插进膨胀的轴套内；将一轴向力施加于各端件上从而将压缩力施加于所述磁心上；使所述轴套冷却，由此使所述轴套在所述磁心和各端件的外表面周围冷缩。采用这种方法，由于施加于端件的轴向力以及轴套在磁心上的收缩，所述磁心可以被轴向压紧。

在一实施例中，所述轴套是一经预先硬化的、经固溶退火的、超高强度的航天级非磁金属合金。藉助一其内放入所述轴套的感应加热线圈系统将所述轴套加热至所需温度，该温度低于所述材料的回火温度。一旦所述轴套处于指定的温度，磁心和端件将准确地位于所述轴套内。在轴套迅速冷却时将轴向的预加载作用力施加于各端件上以将所述磁心保持在压缩状态。冷却过程可以使轴套在磁心和端件的表面周围收缩。施加于所述较佳实施例中的各端件的压缩力可以高达约600M帕。

对冷却速率加以精确控制以防止磁特性和磁心表面受损，最好在与磁心相啮合和夹紧之前先与各端件相啮合并夹紧。轴套冷却时，轴套的轴向收缩也有助于保持对磁心的轴向压紧或在磁心上产生轴向压缩力。

应予理解的是，端件可以包括用于转子的轴节。在本发明的另一形式中，端件包括由诸如钕镍铁合金之类的非磁性材料制成的轴节，而另一端件或部分端件是一非磁性间隔件，它夹设在所述磁心和一由其它也可能是磁性材料制成的轴节之间。

应予理解的是，虽然本发明的转子是用在高速无刷直流电动机中的，但是，所述转子也可以用在磁耦合应用场合中，例如，气轮机的轴是与一离心式压缩机等的轴磁耦合的。采用这种设置，所述磁心是为耦合目的而设计的，因此，它所具有的结构可以不同于它在电动机用途中所设计的结构。

为了更好地理解本发明，下面将结合附图对本发明的一实施例进行描述。

附图的简要说明

图1是一转子轴的局部剖视的正视示意图，它示出了环绕在所述转子轴周围的电动机定子；

图2是所述转子轴组件的示意图。

较佳实施例的描述

请参阅各附图，所示的转子10是用来在高速无刷直流电动机中使用，以驱动一离心压缩机的(未示)。所述电动机被设计得尽可能紧凑，以尽可能的减小电动机/压缩机的总体尺寸。但是，电动机必需将足够的功率传递给所述压缩机。

转子10包括一磁心12，所述磁心由钕铁硼(NdFeB)制成，它是一种抗拉强度相对较低的烧结磁性材料。轴套14环设在磁心12周围，并自该处朝着两个方向轴向延伸以形成一中空轴。在此实施例中，轴套14是由铬镍铁合金718制成的，它是一种磁导率较低的超高强度的航天级非磁性合金。轴套14被施加预应力以在磁心12上提供一径向和轴向的压缩力。此外，磁心12在一非磁性轴节16和一非磁性间隔件17之间还受到轴向压缩力。轴节16和间隔件17可以由铬镍铁合金制成，但它们也可以采用其它的非磁性材料。

由磁性材料制成的第二轴节18也被轴套14在间隔件17的外面啮合。本实施例的轴节16和18被设计成将转子10支承在以19总的示出的磁性轴承内。轴节18的外端适于支承一冷冻剂压缩机(未示)的叶轮。

较佳的是，轴节16、18和间隔件17都具有一定尺寸，从而能与轴套14的内表面进行干涉配合。但是，应予理解的是，轴节18和间隔件17中的一个也可以不是干涉配合的，只要压缩力能通过它施加于磁心12上即可。

转子10的所述结构形成一较坚硬亦即机械性能较稳定的电动机用转子。磁心12受轴套14、轴节16和间隔件17的作用而保持处于径向和轴向压缩力作用之下，这样，当转子的转速高达50,000rpm或者甚至250,000rpm时，可以平衡所产生的离心力。

现请参阅图2，图中示出了转子轴的各构成部件的装配方法。所述装配方法能藉助对轴套14进行加热，即借助使用一感应加热器21来进行感应加热，将轴套14加热到400℃和480℃之间但低于其回火温度而获得所示实施例中的压缩力。较佳的是，将所述温度保持得尽可能低，以降低对磁心表面造成损伤的任何可能性。随后用一摇振工具22插入磁心12、非磁性轴节16、间隔件17和磁性轴节18。在轴套14迅速冷却，以致轴套14在轴节16和18、轴套14和磁心12的外表面周围收缩时，将高达600M帕的轴向力施加于轴节16和18上，以使所述间隔件和磁心12预加载而处于压缩状态，所述整个工艺过程大致需要5秒钟，而且冷却速率被精确控制以防止磁心12受损。轴节16和18的尺寸是这样的，即，它们在磁心12之前先被冷却中的轴套14径向夹紧，因此，持续的冷却作用也可以产生一轴向的收缩，由此可以使轴节16、18和间隔件17继续将一轴向压缩力施加于磁心12上。

如果需要，可以将轴节16和18焊接于轴套14上。如果需要也可以将所述转子的内部抽空或用一种气体来填充，所述气体与所述磁铁化学地相容，从而产生一气密的密封结构。

应予理解的是，正如前文指出的那样，间隔件17可以具有这样一个尺寸，即，它不与轴套14发生干涉配合。在这种情况中，压缩力是被施加在轴节16和18之间，而所述间隔件也由此被保持在压缩状态。采用这种设置，所述间隔件仅仅起着将磁心12与轴节18磁性分隔开的作用。如果需要，尤其是如果两轴节都是由一种磁性材料制成时，可以将间隔件设置在所述磁心的每一端部。

根据本发明，还可以对本发明转子的设计和/或构造作出很多变化，凡是在本发明范围之内的所有这些变化都将被认为是落在以上描述的范围之内的。

Claims (18)

1.一种用于高速机器的转子，所述转子具有：一稀土磁心；一由非磁性材料制成并环绕所述磁心以便在其高速旋转过程中将所述磁心径向地紧紧夹住的轴套，所述轴套朝着两轴向方向延伸超过所述磁心，固定在所述轴套的每一端部内并且分别与所述磁心的每一端直接或间接啮合的诸个端件，所述端件将一轴向压缩力施加于所述磁心上。

2.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述机器是一直流电动机，其中所述磁心是沿径向被磁化的，所述磁心材料是钕铁硼[NdFeB]。

3.如权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述转子的共振弯曲频率超过最大旋转频率。

4.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述轴套将一径向压缩力施加于所述磁心上，这样，当所述磁心处于静止状态时，所述磁心既受到径向压缩力的作用也受到轴向压缩力的作用。

5.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述压缩力具有这样的值，即，当以最大旋转速度旋转时，在所述磁心内将产生最小的张力。

6.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述端件的至少其中之一通过一非磁间隔件与所述磁心的相应端间接啮合。

7.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子轴套由一种非磁性金属制成，它具有一为所述电动机轴提供抗弯刚度的强度特性。

8.如权利要求7所述的转子，其特征在于，所述转子轴套的材料是从以下材料中选择出来的：铬镍铁合金、钛和钛合金。

9.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述端件通过将轴套加热—收缩至一由端件和磁心组成的组件上而保持在所述轴套内。

10.如权利要求1所述的转子，其特征在于，在将张力施加于所述轴套或将压缩力施加于各端件的时候，藉助将一个或两个端件焊接或粘结于所述轴套上而将各端件与所述轴套相连。

11.一种用来制造高速机器用转子的方法，所述转子包括一稀土磁心，所述方法包括以下步骤：形成一轴套，所述轴套的内径其尺寸要与置于轴套内部的各端件发生干涉配合；将所述轴套加热至一低于其回火温度的温度，从而使所述轴套径向和轴向膨胀；将所述磁心和各端件插进膨胀的轴套内；将一轴向力施加于各端件上从而可以将压缩力施加于所述磁心上；使所述轴套冷却，由此使所述轴套在所述磁心和各端件的外表面周围冷缩。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述磁心的直径具有一可与所述轴套发生干涉配合的直径。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述轴套藉助一其内放入所述轴套的感应加热线圈系统而被加热至所需温度。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：当所述磁心被预加压缩应力时，使经加热的轴套迅速冷却。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：对冷却速率加以控制，以防止磁特性和磁心表面受损，并可确保所述轴套在与磁心相啮合和夹紧之前先与各端件相啮合并夹紧。

16.一种用来制造高速机器用转子的方法，所述转子包括一稀土磁心，所述方法包括以下步骤：形成一轴套；将所述磁心设置在所述轴套内部；在所述轴套内设置诸个端件以便直接或通过一间隔件间接地与所述磁心的各轴向端部啮合；利用各端件对所述磁心轴向地预加压缩应力；以及当磁心被轴向预加应力时将各端件固定于所述轴套上。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述各端件是藉助焊接、粘结或加热—收缩所述轴套以产生干涉配合而固定于所述轴套上的。

18.具有一如权利要求1至10中任一权利要求所述的转子的电动机。

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